CN109856464B - 一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统，其针对100KHz‑20MHz的低频太阳射电信号进行观测，其包括三个电场传感器、三套模拟接收机、数据采集处理模块、时频模块、电源模块、存储模块；三个电场传感器分别与三套模拟接收机连接，三套模拟接收机、时频模块分别与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与存储模块连接，数据采集处理模块、三套模拟接收机分别与电源模块连接；本发明系统可以判断日冕抛射物质的运动情况，可以对未来的空间天气事件进行预测、预判。

Description

一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统

技术领域

本发明涉及一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统，适用于基于卫星平台的100KHz-20MHz频段太阳射电观测，采用空间正交三维电场传感器可以探测日冕抛射物质CME在三个维度上的电磁波，进而判断CME的运动方向。

背景技术

太阳是与人类生产生活关系最密切的天体，它的光和热温暖着地球，提供着地球上一切生命活动所必须的适当环境。太阳又是非常活跃的天体，经常会有剧烈的活动和爆发现象。针对大量的太阳爆发事件，包括耀斑、日冕物质抛射(CME)、暗条/日珥爆发和喷流等等，人们开展了大量的观测和理论研究。其中，耀斑和日冕物质抛射(CME)是最剧烈的太阳爆发现象。在紫外和X射线波段，耀斑以超过平时太阳辐射几十万倍的强度产生紫外和X射线辐射，对地球电离层造成剧烈扰动，直接影响地面上的短波无线电通讯。而日冕物质抛射(CME)携带大量的等离子体物质，以超过千公里每秒的速度抛向行星际空间，对日地空间环境和地磁场产生剧烈扰动，不仅影响了通讯、导航、空间飞行器的发射和运行、宇航员和跨越极区飞行人员的健康，而且影响了远距离电力输送网络和油气输运管道的安全等等，对人类的生产生活造成了很多不利的影响。

太阳风暴是以强太阳耀斑和日冕物质抛射为代表的太阳爆发事件扫过行星际空间，在行星际空间中传播、发展、相互作用并影响空间环境的整个物理过程。太阳风暴源于太阳大气中复杂的电磁相互作用，极具破坏性和突发性，就像地球大气中的龙卷风、台风和强热带风暴。太阳风暴中剧烈增长的太阳电磁辐射严重影响日地环境，并导致人类电子技术系统的瘫痪。由于太阳电磁辐射方面的研究，不仅有助于人们了解太阳风暴的物理本质，而且有助于人们对太阳风暴引发的灾害性空间天气进行预报和预警。

灾害性空间天气或太阳风暴通常是由太阳耀斑和CME引发的，因此对灾害性空间天气的预报和预警需要对太阳耀斑和CME进行实时和全天候的监测。射电是太阳风暴的即时响应，当强耀斑和日冕物质抛射发生时，射电流量会随之增强的现象称为太阳射电爆发，在米波、十米波至千米波段，射电爆发以相干等离子体辐射为主导，等离子体辐射的性质决定了，不同的射电爆发的发生频率对应不同的日冕位置和物理环境，根据其频谱形态可以将太阳射电暴分为I、II、III、IV、V型射电暴及其伴随的精细结构。其中，II型射电暴是CME激波的最佳示踪器。CME在日冕和行星际空间快速运动，当CME的速度超过本地的阿尔芬速度时，会产生CME激波，CME激波在日冕仪上很难被观测到，因此当CME的运动范围超过日冕仪的观测范围时，或者由于CME正对地球而来，日冕仪上没有任何响应时，探测CME激波成为唯一可以了解CME的手段，因此对II型射电暴(即：CME激波的示踪物)的观测，对灾害性空间天气的预警预报具有重要的实用价值；III型射电暴是高能电子束在日冕中运动的最佳示踪器，由于它反映了太阳爆发能量释放和粒子加速等物理过程，因此是耀斑/CME等太阳爆发的先兆；射电精细结构则反映了太阳爆发时日冕中微小的能量释放过程和日冕磁场小尺度变化过程。

十米波、百米波和千米波(或者低于30MHz以下的射电频率范围，目前被重新定义为ultra-long wavelength(ULW))，属于甚低频射电的观测范畴。在这个波段所观测到行星际II型射电暴和III型射电暴可以追踪行星际的CME激波以及高能电子束，根据日冕密度模型还可以预测CME/激波的速度和到达地球的时间，因此甚低频的射电观测在空间天气的预报和预警方面，有不可替代的作用。而由于地球大气对电磁波的吸收和反射作用，对于甚低频的观测必须在地球大气外的空间观测，目前国内还没有该频段的观测。因此，随着我国对空间天气的预警预报需求的提高，建立我国的甚低频空间天气射电频谱仪显得尤为重要。

发明内容

本发明目的是一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统，主要适用于在卫星平台上实现对100KHz-20MHz日冕物质抛射时产生的电磁波观测，同时通过三个正交的电场传感器可以判断日冕抛射物质的运动方向，进而对未来可能发生的空间天气事件做出初步的判断。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

本发明用于星载的甚低频太阳射电观测系统，通过三个正交的电场传感器接收三个方向的电磁波，经三路独立的模拟接收机滤波、放大后，被模拟接收机采集并进行频谱分析，时频模块向整个系统提供时间信息，包括秒信号、AD驱动信号等，电源模块向整个系统提供不同的电压输出。

本发明用于星载的甚低频太阳射电观测系统，是针对100KHz-20MHz的低频太阳射电爆发进行观测，其包括三个电场传感器、三套模拟接收机、数据采集处理模块、时频模块、电源模块、存储模块；三个电场传感器分别与三套模拟接收机连接，三套模拟接收机、时频模块分别与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与存储模块连接，数据采集处理模块、三套模拟接收机分别与电源模块连接。

以下分别介绍三个正交的电场传感器、三套模拟接收机、数据采集处理模块、时频模块、电源模块等几部分；

1、三个正交的电场传感器

三个电场传感器在卫星发射时收缩设置在卫星外表面，由常规空间展开装置在卫星入轨后将其展开，电场传感器为低损耗金属杆，例如低损耗金属为铍铜合金，长度为5米以上，三个电场传感器通过支架呈X、Y、Z三正交分布状态设置在卫星上，其中X方向为朝向太阳方向，Y轴为平行于太阳方向，Z轴垂直于X轴、Y轴构成的平面，这就构成了一个朝向太阳的正交测试三维坐标系，用于测量X、Y、Z方向上的电场强度E_X、E_Y、E_Z；并将三个方向上的电场信号Ex、Ey、Ez通过三个电场强度之间的比值来确定信号的来波方向。

2、模拟接收机

三套模拟接收机组成一个模拟接收机模块，每一套模拟接收机对应一个电场传感器；

首先模拟接收机，主要实现对天线(电场传感器)接收信号的放大、滤波等功能。由于在100KHz以下存在等离子体准热噪声辐射，必须采用滤波器将其滤除，防止干扰；另外，为了防止20MHz以上的干扰混叠进入ADC采样带内，必须在接收机内部采用低通滤波器。

模拟接收机由前端低噪声放大器模块、模拟高通滤波器(通带＞80kHz)、二级放大器、模拟低通滤波器(通带＜50MHz)依次连接组成，低噪声放大器模块与电场传感器连接，模拟低通滤波器与数据采集处理模块连接；

前端低噪声放大器模块承担对信号进行放大功能，要求其噪声小于放大器增益不小于30dB，其由电源模块中的低噪声LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)模块提供电力，该部分主要放置于卫星舱体外，通过在星体表面的连接器与模拟高通滤波器输入相连；

模拟高通滤波器主要承担对低频散弹噪声和等离子体本地辐射噪声进行抑制的作用，由于该噪声主要在80kHz以下，为此采用通带＞80kHz的模拟高通滤波器对上述噪声进行抑制；模拟高通滤波器的输出与二级放大器的输入相连，模拟高通滤波器主要放置于卫星舱体外，通过在星体表面的连接器与二级放大器输入相连；

二级放大器承担对信号的进一步放大功能，放大器增益不小于30dB，由电源系统中的大功率DC-DC模块提供电力，其输出与模拟低通滤波器的输入相连；

模拟低通滤波器主要承担对整机内部干扰信号的滤除，同时防止数据采集处理模块与带外干扰产生混叠。

3、数据采集处理模块

数据采集处理模块由3个高速模数转换器(ADC)、FPGA信号处理核心芯片、信号发送单元依次连接组成，模拟低通滤波器与高速模数转换器连接；根据奈奎斯特采样定理和太阳射电爆发信号动态范围，ADC的采样率不应低于80Msps，根据太阳射电爆发流量较之于宁静流量在30-40dB以上的特点，采用量化位数为10bit以上ADC芯片；

FPGA信号处理核心芯片还包括：

角度计算模块，将三个电场传感器输出端产生的功率，两两比值确定来波方向，并将计算数据通过信号发送单元传回地面中心，或/和暂存存储模块。

4、时频模块

该模块由星载高精度时钟和时钟驱动芯片组成，星载高精度时钟和时钟驱动芯片连接，时钟驱动芯片分别与高速模数转换器(ADC)、FPGA信号处理核心芯片连接；

该星载高精度时钟输出1pps信号经时钟驱动芯片放大，作为ADC采集和FPGA信号处理核心芯片信号处理的同步信号，同时星载高精度时钟输出的5MHz或者10MHz标准信号经时钟驱动芯片放大锁相环倍频到ADC采集所需要的频率和FPGA信号处理核心芯片工作所需要的频率，作为ADC、FPGA信号处理核心芯片的时钟驱动信号。

5、电源模块

电源模块由大功率DC-DC模块和低噪声LDO模块组成，其中大功率DC-DC模块分别与二级放大器、高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片、低噪声LDO模块、存储模块连接并供电；低噪声LDO模块，主要向模拟接收机的前端低噪声放大器模块供电。

6、布局安排

出于对电磁兼容性的考虑，整体系统分为两部分：卫星舱外部分和舱内部分，其中舱外部分包括三个正交的电场传感器、模拟接收机模块中的低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、电源模块中的低噪声LDO模块，且低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、低噪声LDO模块设置在舱外独立的屏蔽仓内；通过星体表面航空插座连接，包括：LDO输入电压电缆、电场传感器控制电缆、低噪声放大器输出信号电缆等；本系统中的其余组件放置于卫星舱内部。

本发明的效果：

1、采用三个正交的电场传感器构建对太阳射电爆发观测，可以通过三个传感器上感应的不同电压值来判断信号来源方向，进一步判断日冕抛射物质的运动情况，可以对未来的空间天气事件进行预测、预判；

2、采用卫星舱内、外分布设计方案，将易受干扰的低噪声放大器模块置于舱外，通过卫星舱体表面将卫星内部如FPGA、DC-DC电源等强电磁辐射干扰隔离，降低了电磁干扰影响，同时采用独立的低噪声LDO模块，降低了电源不稳定性给放大器带来的影响；

3、本系统采用高速信号处理器，可以在星上实现信号的处理、积分等工作，大大减少了传输数据量，减轻了星地链路之间的传输压力。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为模拟接收机结构示意图；

图3为三正交电场传感器测量来波方向示意图；

图4为低噪声放大器模块与模拟高通滤波器的电路图；

图5为二级放大器、模拟低通滤波器电路图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1-3所示，本用于星载的甚低频太阳射电观测系统针对100KHz-20MHz的低频太阳射电爆发进行观测，其包括三个电场传感器、三套模拟-数字接收机连接、数据采集处理模块、时频模块、电源模块、存储模块；三个电场传感器分别与三套模拟-数字接收机连接，三套模拟接收机、时频模块分别与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与存储模块连接，数据采集处理模块、三套模拟接收机分别与电源模块连接；

所述电场传感器为铍铜合金杆，三个电场传感器通过支架呈X、Y、Z三正交分布状态设置在卫星上，其中X方向为朝向太阳方向，Y轴为平行于太阳方向，Z轴垂直于X轴、Y轴构成的平面，即形成的三维空间朝向太阳；模拟接收机由低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、二级放大器、模拟低通滤波器依次连接组成；

由于空间电场存在Ex、Ey、Ez三个分量，其强度密度分别为Ex Vm^-1Hz^-1/2、Ey V m^{- 1}Hz^-1/2、Ez Vm^-1Hz^-1/2，建立在X、Y、Z三个方向有效长度为L_eff-x、L_eff-y、L_eff-z的电场传感器，在后端积分带宽分别为Bx、By、Bz和输入阻抗分别为Rx、Ry、Rz的情况下，三个电场传感器输出端产生的功率分别为：

P_x＝(E_x·L_eff-x)²·B_x/R_x

P_y＝(E_y·L_eff-y)²·B_y/R_y

P_z＝(E_z·L_eff-_z)²·B_z/R_z

其中，实际长度为L的电场传感器，其有效长度L_eff与实际长度L的对应关系如下：

积分带宽B等于频谱分辨率Δf，其取决于FPGA信号处理核心芯片的采样率f_s和FFT；变化点数N，一般在几十kHz左右；即

R为模拟接收机的输入阻抗，一般在MΩ量级。

根据测量得到的三方向电场分量，根据两两比值可以确定来波方向，其中三个角度(图3)可以通过如下计算得到：

低噪声放大器模块

由于行星际甚低频射电探测天线的尺寸限制，根据国外相关参考文献和卫星经验介绍，探测系统的输入电阻应在106欧姆以上，而输入电容则应在3.0pF以下，直接采用射频LNA或巴伦显然无法达到这一要求，因此需要在探测器的输入端添加一级前置放大器来进行阻抗变换。对于100kHz～20MHz频段接收机，可采用低噪声电压反馈型的射频运算放大器构建。

在本发明中，第一级采用AD8004SQ(宇航级)作为第一级低噪声放大器(低噪声放大器模块)，其工作噪声仅为：低于需要探测最低噪声，将该芯片搭建成第一级低噪声放大器，可以有效的降低整个接收机系统的输入噪声(图4)。

同时在第一级低噪声放大器之后，由于行星际甚低频射电探测系统工作在基带，同时需要抑制低频准热噪声(shot noise)和本地的谐振噪声fp一般低于100kHz，在100kHz有较强的噪声很难将噪声和太阳射电信号扣除，为此本发明在第一级低噪声放大器后紧跟模拟高通滤波器，滤除上述噪声。

前端低噪声放大器模块的灵敏度计算如下：

首先是噪声的保证

其次是通过灵敏度来确定二级放大器的增益，如果我们需要的灵敏度为该信号在天线后端，AD输入端产生的功率为：

注：频谱分辨率B＝12.5kHz，R_in是输入电阻；

高速模数转换器采用AD6645最小能识别信号功率为±0.5LSB(r.m.s)

其最小能识别功率为：其中

为此二级放大器所需放大倍数约为(功率增益)：

G＝P_min-P_s＝-116-(-166)＝50dB；

如图5所示，本实施例采用AD8021SQ(宇航级)作为第二级放大器的核心芯片；放大器采用两级AD8021SQ两级放大方案，两级AD8021SQ构成的放大电路，功率增益大约达到50-60dB左右，满足观测需求；同时输出连接四阶巴特沃斯低通滤波器，滤除高频干扰，防止ADC采集时产生混叠信号。

所述数据采集处理模块由3个高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片、信号发送单元依次连接组成；

AD转换器采用AD6645作为模数转换器，其主要指标如下：

1、单芯片内实现四通道同步采集，采样速度为：80Msps；

2、量化位数：14bit；

3、无杂散动态范围：100dBFs；

4、可以通过FPGA设置读取速度，实现宁静和爆发两种模式的无缝切换；

5、其内部自带采集保持电路T/H，减少了外围电路的设计；

6、同时具有很好的抗高能粒子性能。

从抗干扰和可靠性角度考虑，设计一个星际电子系统的最大难点在于选择合适的数字系统实现方式；整个系统中，数字系统具有最大的功能密度，器件设计难度较大，其抗干扰能力和可靠性也最差；根据国际惯例，我们采用Actel公司的IGLOO宇航级FPGA构建本观测系统的数字部分。IGLOO采用独特的Flash非易式工艺实现，其速度和大容量无法和主流的FPGA相比(最大D触发器容量仅为75K，最高工作频率则在100MHz左右)。但也正是由于采用了非易式的Flash工艺，其宇宙高能粒子辐射具有天然的免疫力，且静态功耗极低。上述优点刚好满足了航天电子的需求，因此该系列FPGA在航空航天领域享有盛名。

为达到频率分辨率要求，FPGA中的FFT算法必须具有足够的长度，根据现有技术我们分别对其实施长度为8192点的FFT，其频率分辨率将分别达6kHz左右。

所述电源模块由大功率DC-DC模块和低噪声LDO模块组成；

国际上多数卫星采用了开关电源的方式，因此产生较大的噪声和纹波，随着电子技术的发展，先进低功耗的LDO芯片(线性电压变换器)在噪声、功耗方面都得到很好的提升；

但是LDO芯片在输出功率方面较低，不能完全支撑全部载荷的供电，为此我们拟采取在前端低噪声部分使用LDO，而在后端数字部分采用带载能力较强的DC-DC或大功率线性稳压器方案，通过模拟部分和数字部分之间的屏蔽隔离减少噪声；

为此本载荷拟采用LDO线性稳压器ADP7142为前端第一级低噪声放大器供电，该稳压器的主要指标如下：

1.低噪声：11μVrms，与固定输出电压无关；

2.电源抑制比(PSRR)：88dB(10KHz)、68dB(100KHz)、50dB(1MHz)(VOUT≤5V，Vin＝7V)；

3.输入电压范围：2.7V至40V(完全兼容卫星提供电压)；

4.最大输出电流：200mA；

5.线路、负载和温度范围内的精度:±1.1％(TJ＝-40℃至+85℃)，±1.8％(TJ＝-40℃至+125℃)；

后端采用常规大功率线性稳压芯片，向FPGA提供3.3V、1.2V，向存储模块提供5V，向AD芯片1.8V的工作电压和参考电压。

所述时频模块包括星载高精度时钟和时钟驱动芯片，星载高精度时钟和时钟驱动芯片连接，时钟驱动芯片分别与高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片连接；

时频共需要以下几路信号：

1、星载原子钟提供5MHz或者10MHz的标准信号，用于注入到信号处理板上的时钟驱动芯片，经时钟驱动芯片内部放大锁相环倍频到ADC采集和FPGA工作所需要的频率，作为ADC和FPGA的时钟驱动信号；

2、标准秒信号，用于三通道采集的同步和FPGA同步信号，由于星载原子钟提供了1pps标准秒信号，本发明中将该标准秒信号输入到时钟驱动芯片，驱动三路ADC和FPGA芯片。

Claims (4)

1.一种用于星载的甚低频太阳射电观测系统，其特征在于：针对100KHz-20MHz的低频太阳射电信号进行观测，其包括三个电场传感器、三套模拟接收机、数据采集处理模块、时频模块、电源模块、存储模块；三个电场传感器分别与三套模拟接收机连接，三套模拟接收机、时频模块分别与数据采集处理模块连接，数据采集处理模块与存储模块连接，数据采集处理模块、三套模拟接收机分别与电源模块连接；

其中电场传感器为低损耗金属杆，长度为5米以上，三个电场传感器通过支架呈X、Y、Z三正交分布状态设置在卫星上，其中X方向为朝向太阳方向，Y轴为平行于太阳方向，Z轴垂直于X轴、Y轴构成的平面，即形成的三维空间朝向太阳，用于测量X、Y、Z方向上的电场强度E_X、E_Y、E_Z；

模拟接收机由低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、二级放大器、模拟低通滤波器依次连接组成；其中低噪声放大器模块噪声小于放大增益不小于30dB，模拟高通滤波器的通带＞80kHz，模拟低通滤波器的通带＜50MHz，二级放大器增益不小于30dB，低噪声放大器模块与电场传感器连接，模拟低通滤波器与数据采集处理模块连接；

电源模块由大功率DC-DC模块和低噪声LDO模块组成，其中大功率DC-DC模块分别与二级放大器、高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片、低噪声LDO模块、存储模块连接并供电；低噪声LDO模块与低噪声放大器模块连接并供电；

三个电场传感器、低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、低噪声LDO模块设置在卫星舱外部，且低噪声放大器模块、模拟高通滤波器、低噪声LDO模块设置在舱外独立的屏蔽仓内；本系统其余组件放置于卫星舱内部。

2.根据权利要求1所述的用于星载的甚低频太阳射电观测系统，其特征在于：数据采集处理模块由3个高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片、信号发送单元依次连接组成，模拟低通滤波器与高速模数转换器连接；高速模数转换器的采样率不应低于80Msps，采用量化位数为10bit以上高速模数转换器芯片。

3.根据权利要求2所述的用于星载的甚低频太阳射电观测系统，其特征在于：时频模块包括星载高精度时钟和时钟驱动芯片，星载高精度时钟和时钟驱动芯片连接，时钟驱动芯片分别与高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片连接；

所述星载高精度时钟输出1pps信号经时钟驱动芯片放大，作为高速模数转换器采集和FPGA信号处理核心芯片信号处理的同步信号，同时星载高精度时钟输出的5MHz或者10MHz标准信号经时钟驱动芯片内部放大锁相环倍频到高速模数转换器采集和FPGA信号处理核心芯片工作所需要的频率，作为高速模数转换器、FPGA信号处理核心芯片的时钟驱动信号。

4.根据权利要求2所述的用于星载的甚低频太阳射电观测系统，其特征在于，FPGA信号处理核心芯片还包括：

角度计算模块，将三个电场传感器输出端产生的功率，两两比值确定来波方向，并将计算数据通过信号发送单元传回地面中心。